大气激光通信结合了光纤通信和微波等通信的优势，具有无需频率许可、低成本、安装方便、通信安全保密等优点，已成为一种新兴的宽带无线通信方式。但是光信号在大气信道中传输时，不仅会受到自由空间损耗、大气衰减和背景辐射等因素的影响，还会受到大气湍流的影响。大气湍流运动会引起光束的强度闪烁、光束漂移、扩展与像点抖动等现象，其中大气闪烁和光束漂移对大气激光通信的影响最大。特别是在强湍流情况下，光信号受到严重干扰甚至脱靶，造成较大的误码率和短时间通信中断，严重影响激光通信的稳定性和可靠性。另外，虽然光载波的频率很高，光通信系统的信号带宽可以超过1THz。但在实际使用中，由于光色散或者电子器件速度的限制，通常系统的传输速率被限制到10Gb/s以下。所以，本文将MIMO和空时编码技术引入大气激光通信，用于解决制约光通信发展的瓶颈，提高光通信系统的传输速率和可靠性。　　 虽然射频通信和无线激光通信具有某些相似性，但由于二者在噪声机制、调制方法、受到外界环境的影响以及所传递的信号形式、含义和表示方法等方面的不同，不能将原有MIMO和空时编码技术的相关理论和方法直接应用于大气激光通信，需要根据光信号的特点对其理论和编码方法进行新的推导和分析。因此本文根据湍流对激光信号的影响，重点研究光MIMO技术的信道模型、信道容量以及各种空时编码等问题。　　 首先：根据大气激光通信面临的挑战，提出了光MIMO的系统模型并详细的阐述了其关键技术。根据湍流大气中激光光束的传输理论，分析了湍流对光信号的影响，其中包括光强闪烁、光束弯曲、光束漂移以及光束扩展。重点分析了湍流大气中信号的光强起伏特性，研究了减小光强起伏的措施。得到了采用多光束传输和分集接收能减弱光强起伏，有效抵御大气湍流效应的结论。并在此基础上，分析了多光束传输时的光强起伏特性。　　 第二：根据光MIMO的系统模型，建立了光MIMO的信道模型；并针对PPM调制，分别建立了其在高斯机制和泊松机制下的信道模型。根据已建立的光MIMO信道模型，分析了信道系数确定和信道系数随机时的信道容量，以及几种特殊情况下的信道容量。针对信道系数随机时的情况，提出了采用平均信道容量和中断信道容量来衡量系统信道容量的方法。并在此基础上，针对泊松机制分析了无背景辐射时PPM调制的信道容量。得到了采用光MIMO技术能够在不额外增加系统资源的情况下能成倍提高系统信道容量的结论。　　 第三：针对改进后的Alamouti码存在的问题，即该码仅适用于OOK和2PPM调制的光通信系统。本文利用“1”和“0”比特互为补码的关系提出了一种适合于任意Q-PPM调制的比特补码式正交空时编码，并针对高斯信道模型推导出了其最大似然准则和误符号率公式。针对原有Alamouti码中存在的问题，即负数和复数信号无法用“on”和“off”表示的问题，本文利用Q-PPM调制方式的正交性而提出了一种适合于任意Q-PPM(Q>2)调制方式的脉冲位置正交空时编码，并推导出了泊松信道模型下的最大似然准则和误字率公式。理论分析和仿真结果表明：本文提出的两种正交空时编码和传统Alamouti码不仅具有相似的误码性能，而且实现了满速率传输。另外，结合RS码提出了一种级联正交空时编码，并分析了级联空时编码的误码性能。得出了虽然重复码的性能略优于正交空时编码，但正交空时编码更利于交织和与其它信道编码级联，使系统性能得到进一步改善。　　 第四：依据大气激光通信和RF通信的区别，提出了一种适合于强度调制式大气激光通信的分层空时编码方案。重点研究了垂直分层空时编码的编译码方法，并提出了一种适合于大气激光通信的串行干扰消除译码算法。同时，结合PPM调制方式得到了非最大似然译码算法的判决准则和误码率公式，并对它们的性能进行了对比。得到了采用该码后大气激光通信系统的传输速率被成倍提高，误码性能比明显改善的结论。尤其是采用串行干扰消除算法后，系统能在不增加译码复杂度的情况下，误码性能被明显改善。　　 第五：针对空时分组编码和分层空时编码中存在的问题，本文将这两种编码相结合，提出了一种适合于强度调制/直接检测式光通信的混合空时编码方案。分析了该方法的误码性能，并就几种空时编码方式下的分集度和频谱效率进行了对比。　　 最后，为了进一步验证上面提出的几种空时编码的正确性和可行性，本文以垂直分层空时码为例，采用VerilogHDL语言分别完成了该码的软硬件设计，并在FPGA硬件上通过了调试。　　 本文的研究成果为提高大气激光通信的传输速率、改善系统性能提供了新方法和理论依据。